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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur relativen Drehwinkelverstellung einer
Nockenwelle einer Brennkraftmaschine zu einem Antriebsrad gemäß den Merkmalen des
Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Vorrichtungen zur
Nockenwellenverstellung bekannt (siehe z. B. Lehrbuch "Fachkunde
Kraftfahrzeugtechnik", Verlag Europa-Lehrmittel, 26 Auflage 1999, Seite 272, 273).
Zwei verschiedene Ausführungen einer Nockenwellen-Verstellvorrichtung sind in der
zitierten Literaturstelle beschrieben. Bei einer ersten Ausführungsform treibt die
Auslassnockenwelle über einen Kettentrieb die Einlassnockenwelle an. Durch
hydraulisches Verstellen eines zwischen dem Kettentrieb angeordneten Kettenspanners
kann die Drehlage der Einlassnockenwelle gegenüber der Auslassnockenwelle verstellt
werden, wodurch die Ventilsteuerzeiten auf gewünschte Art und Weise verändert werden
können. Bei einer zweiten Ausführungsform einer Nockenwellenverstellung ist
vorgesehen, beispielsweise die Einlassnockenwelle gegenüber dem
Nockenwellenantriebsrad zu verdrehen. Dazu ist ein nach links oder rechts verstellbarer
Hydraulikkolben vorgesehen, dessen axiale Bewegung in einer mechanischen
Verstelleinheit mit Schrägverzahnung eine Verstellung der Nockenwelle in Richtung "früh"
oder "spät" bewirkt. Neben diesen beiden soeben beschriebenen Ausführungsformen sind
sog. Flügelzellen-Nockenwellenversteller bekannt, (siehe z. B. EP 1 008 729 A2) bei
denen die Nockenwelle ebenfalls gegenüber dem Nockenwellen - Antriebsrad verstellbar
ist. Allen zuvor genannten Ausführungen einer Nockenwellenverstellung ist gemeinsam,
dass die Verstellung hydraulisch erfolgt, wobei zu zwei verschiedenen Druckräumen bzw.
Druckkammern führende Hydraulikleitungen vorgesehen sind, über die das eigentliche
Stellelement des Nockenwellenverstellers mit Hilfe eines Steuerventils wahlweise nach
links oder nach rechts verstellbar ist.
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Wie allgemein bekannt ist, kann beispielsweise mit der Nockenwellenverstellung auf der
Einlassseite die Zylinderfüllung über einen großen Drehzahlbereich entscheidend
verbessert werden. Dazu ist es jedoch erforderlich, dass ein derartiges hydraulisches
Verstellsystem mit kurzen Verzögerungszeiten arbeitet, bzw. eine hohe
Verstellgeschwindigkeit gewährleistet. Die Verstellgeschwindigkeit des
Nockenwellenverstellers ist jedoch begrenzt, da das für die Druckbeaufschlagung der
Hydraulikkammern erforderliche Öl erst einem Öltank, z. B. dem Ölsumpf der
Brennkraftmaschine, entnommen werden muss. Problematisch ist dabei, dass bei hohen
Öltemperaturen durch eine erhöhte Leckage in der Ölzuführung eine geringere Ölmenge
zur Verfügung steht; damit nimmt die Verstellgeschwindigkeit des
Nockenwellenverstellers ab.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, die hydraulische Ölversorgung eines
Nockenwellenverstellers zu verbessern, damit schnellere Ansprech- bzw. Verstellzeiten
zur Nockenwellenverstellung erreichbar sind.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Hauptanspruchs gelöst.
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Dadurch, dass zwischen den beiden zu den Druckräumen des Nockenwellenverstellers
führenden Steuerleitungen eine von einem Ventilelement steuerbare Bypassleitung
vorgesehen ist, kann in bestimmten Betriebszuständen der Brennkraftmaschine das aus
der nicht druckbeaufschlagten Hydraulikkammer abfließende Öl unter Umgehung des
Öltanks direkt der druckbeaufschlagten Steuerleitung bzw. Druckkammer zugeführt
werden. Damit kann trotz hoher Öltemperaturen die Verstellgeschwindigkeit des
Nockenwellenversteller gegenüber den bekannten Systemen verbessert werden.
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Die Aktivierung der zwischen beiden Druckräumen bestehenden Verbindung erfolgt
insbesondere dann, wenn der Öldruck in dem nicht aktivierten Druckraum der
Verstelleinheit grösser ist, als der Öldruck im aktivierten Druckraum, der durch zur
Verstellung der Nockenwelle über eine Hydraulikleitung mit Öl versorgt wird. Diese
Druckverhältnisse können dann vorliegen, wenn ein zusätzliches Drehmoment in
Verstellrichtung auf die Nockenwelle einwirkt; ein derartiges mitdrehendes Moment wird
beispielsweise durch das Schliessen der Ventile durch die Übertragung auf Nocken und
Nockenwelle und damit auf die Verstelleinheit erzeugt.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen und der Beschreibung.
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In einer ersten vorteilhaften Ausführungsform, ist der beide Druckräume verbindende
Bypass direkt in der Nockenwellen-Verstelleinheit integriert. Dabei handelt es sich um
einen sog. Flügelzellen-Nockenwellenversteller, bei dem ein Innenteil (Rotor) drehfest mit
der Nockenwelle verbunden ist und zumindest annähernd radial verlaufende Flügel
aufweist, die von einem Antriebsrad umgeben sind, und mehrere über den Umfang
verteilte, durch Stege begrenzte Zellen aufweist, so dass zwischen den Flügeln des
Innenteils und den Stegen des Antriebsrades jeweils zwei Druckräume ausgebildet sind.
Durch diese im Nockenwellenversteller integrierte Ausführungsform kann das Hydrauliköl
auf kürzesten Weg vom einen Druckraum in den anderen gefördert werden. Damit sind
extrem kurze Verstellzeiten umsetzbar.
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Eine besonders kompakte und leckageverlustarme Bauweise wird erreicht, wenn die zur
Umsetzung des im Nockenwellenversteller integrierten Bypasssystems erforderlichen
Ventilbolzen im Innenteil (Rotor) der Verstelleinheit angeordnet sind.
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In einem Flügel des Innenteils sind vier Bohrungen vorgesehen, die zur Aufnahme der
Ventilbolzen dienen. Durch das Zusammenwirken der vier Ventilbolzen wird einerseits die
Ölzufuhr aus dem Öltank zu den beiden Druckräumen und andererseits der Bypass
zwischen den beiden Druckräumen gesteuert.
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In vorteilhafter Weise ist ein Ventilbolzen gleichzeitig als ein zwischen Innenteil und
Antriebsrad wirksames Verriegelungselement ausgebildet.
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In einer zweiten vorteilhaften Ausführungsform ist der ventilüberwachte Bypass zwischen
den beiden Druckräumen im Steuerventil integriert.
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Eine einfache und zuverlässige Umsetzung des im Magnet Steuerventil integrierten
Bypasses zeichnet sich dadurch aus, dass zwei Ventilschieber auf einer Ventilstange
verschiebbar angeordnet sind und dass die Ventilschieber mit Ringschultern versehen
sind, die zu den Steuerleitungen führende Öffnungen kontrollieren.
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In einer dritten vorteilhaften Ausführungsform ist in einer zum Steuerventil führenden
Öltankleitung ein Umsteuerventil vorgesehen, das über einen schaltbaren
Leitungsanschluss mit einer zweiten Öltankleitung verbunden ist. Auf diese Art und Weise
ist ebenfalls ein steuerbarer Bypass zwischen den beiden zu den Druckräumen führenden
Steuerleitungen hergestellt.
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Drei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung und
Zeichnung näher erläutert.
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Es zeigen:
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Fig. 1a ein hydraulisches Schaltschema für eine Nockenwellenverstellung nach
einem ersten Ausführungsbeispiel,
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Fig. 1b ein erster Querschnitt durch einen Flügelzellen-Nockenwellenversteller,
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Fig. 1c ein zweiter Querschnitt durch den Flügelzellen-Nockenwellenversteller,
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Fig. 1d eine erste Innenansicht auf eine Stirnseite des Nockenwellenverstellers
gemäß Pfeil X in Fig. 1b,
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Fig. 1e eine zweite Innenansicht auf eine Stirnseite des Nockenwellenverstellers
gemäß Pfeil Y in Fig. 1c,
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Fig. 1f einen Querschnitt entlang der Linie If-If in Fig. 1d,
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Fig. 2a-6f verschiedene Betriebszustände des Nockenwellenverstellers nach dem
ersten Ausführungsbeispiel,
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Fig. 7a ein hydraulisches Schaltschema für eine Nockenwellenverstellung nach
einem zweiten Ausführungsbeispiel,
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Fig. 7b eine Schnittdarstellung eines Magnetsteuerventil nach dem zweiten
Ausführungsbeispiel,
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Fig. 8a-12b verschiedene Betriebszustände des Nockenwellenverstellers nach dem
zweiten Ausführungsbeispiel,
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Fig. 13 u. 14 eine vergrößerte Schnittdarstellung entlang der Linie I-I in Fig. 7b eines in
einer Druckleitung angeordneten Rückschlagventils in einer geschlossenen
und geöffneten Stellung,
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Fig. 15 eine Schnittdarstellung des Magnetsteuerventils mit veränderten
Rückschlagventil,
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Fig. 16a ein hydraulisches Schaltschema für eine Nockenwellenverstellung nach
einem dritten Ausführungsbeispiel,
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Fig. 16b eine Schnittdarstellung eines Schaltventils gemäß dem dritten
Ausführungsbeispiel und
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Fig. 17a + b ein weiterer Schaltzustand der Nockenwellenverstellung gemäß dem dritten
Ausführungsbeispiel.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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Zunächst wird der konstruktive Aufbau des in den Fig. 1b bis 1f dargestellten
Nockenwellenverstellers gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben. Das
Innenteil einer Verstelleinheit 4, im folgenden als Rotor 2 bezeichnet, ist am freien Ende
einer nur schematisch dargestellten Nockenwelle 6 befestigt. Dazu weist der Rotor 2
eine zentrale Bohrung 8 auf, die in der Nockenwelle 6 weitergeführt ist und an die sich
eine mit einem kleineren Durchmesser versehene Gewindebohrung (nicht dargestellt)
anschließt. In der Bohrung 8 ist eine Schraube 10 geführt, mit deren Hilfe der Rotor 2 an
der Nockenwelle 4 befestigt ist. Der Rotor 2 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel mit
drei radial angeordneten Flügeln 12a bis 12c versehen, die von einer Nabe 14 des
Rotors 2 ausgehen. Der Rotor 2 wird im Bereich seiner Flügel 12a bis 12c von einem
Zellenrad 16 umfasst, das mit drei nach innen ragenden radialen Stegen 18a bis 18c
versehen ist. Das den Stator der Verstelleinheit 4 bildende Zellenrad 16 wird auf seiner
der Nockenwelle 6 zugewandten Stirnseite von einer ersten Dichtscheibe 20 begrenzt, an
die sich ein Kettenrad 22 zum Antrieb der Nockenwelle 6 anschließt. Die
gegenüberliegende Stirnseite des Zellenrades 16 wird von einer zweiten Dichtscheibe 24
begrenzt, an die sich eine Abdeckscheibe 26 anschließt. Beide Dichtscheiben 20, 24
sowie das Kettenrad 22 und die Abdeckscheibe 26 sind drehbeweglich und dichtend auf
der Nabe 14 des Rotors 2 geführt und sind über nicht dargestellte Schraubmittel fest
miteinander verbunden. Durch die Stege 18a bis 18c des Zellenrades 16 werden drei
durch die beiden Dichtscheiben 20, 24 in axialer Richtung begrenzte Zellen ausgebildet,
die durch die Flügel 12a bis 12c des Rotors 2 in jeweils zwei Druckräume 28a bis 28c
bzw. 30a bis 30c unterteilt sind. Die Druckräume 28a bis 28c sind über einen im
Kettenrad 22 integrierten Ringkanal 32 miteinander verbunden. Dazu sind in der ersten
Dichtscheibe 20 drei Bohrungen 34a bis 34c vorgesehen, die in die Druckräume 28a bis
28c einmünden. Analog dazu ist in der Abdeckscheibe 26 ein zweiter Ringkanal 36
vorgesehen, der mit den Druckräumen 30a bis 30c über in der zweiten Dichtscheibe 24
angeordnete Bohrungen 38a bis 38c den Druckräumen 30a bis 30c in Verbindung steht.
Die Druckölzufuhr für die Druckräume 28a bis 28c erfolgt über eine in der Nabe 14 des
Rotors 2 angeordnete Bohrung, im folgenden als Leitung L1 bezeichnet, die zum
Druckraum 28a führt. Die Leitung L1 wird von einem Ventilbolzen, im folgenden als
Verriegelungsbolzen 42 bezeichnet, überwacht, der in einer im Flügel 12a vorgesehenen
Bohrung 44 Aufnahme findet. Der Verriegelungsbolzen 42 dient neben der
Druckölsteuerung gleichzeitig zur Verriegelung des Rotors 2 gegenüber dem Zellenrad
16. Dazu ist in der ersten Dichtscheibe 20 eine mit dem Durchmesser des
Verrieglungsbolzens 42 korrespondierende Öffnung 46 angebracht, in der der
Verriegelungsbolzen 42 in einer verriegelten Stellung, die später noch näher beschrieben
wird, eingreift. Die Druckölversorgung für die Druckräume 30a bis 30c erfolgt über eine
radial im Rotor 2 verlaufende Bohrung, im folgenden als Leitung L2 bezeichnet, die zum
Druckraum 30a führt. Die zum Druckraum 30a führende Leitung L2 wird ebenfalls durch
einen in einer Bohrung 50 des Flügels 12a aufgenommenen Ventilbolzen, im folgenden
als Stufenbolzen 52 bezeichnet, überwacht. Die Leitung L2 ist mit einem Ringraum 54
verbunden, der sich zwischen der Befestigungsschraube 10 für die Verstelleinheit 4 und
dem Wandungsabschnitt der in der Nabe 14 und in der Nockenwelle 6 vorgesehenen
zentralen Bohrung 8 ausbildet, wobei der Ringraum 54 durch den Kopf der Schraube 10
endseitig verschlossen ist.
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Der Verriegelungsbolzen 42 weist eine Innenbohrung 56 auf, in der eine Spiralfeder 58
Aufnahme findet. Die Spiralfeder 58 stützt sich an ihrem einen Ende in der als
Sacklochbohrung ausgeführten Innenbohrung 56 und an ihrem anderen Ende an einer
Kunststoffscheibe 60 ab, die an der zweiten Dichtscheibe 24 anliegt. Durch die
Spiralfeder 58 wird der Verriegelungsbolzen 42 in die in der ersten Dichtscheibe 20
vorgesehene Öffnung 46 gedrückt, so dass die Verstelleinheit 4 verriegelt ist. Am
Außenumfang des Verriegelungsbolzens 42 ist weiterhin eine Ringnut 62 vorgesehen,
deren Funktion später noch näher erläutert ist. Der Stufenbolzen 52 ist von seinem
Aufbau ähnlich wie der Verriegelungsbolzen 42 ausgebildet; er weist ebenfalls eine
Innenbohrung 64 auf, in der eine Spiralfeder 66 zwischen dem Ende der Innenbohrung 64
und einer Kunststoffscheibe 68 Aufnahme findet. Der Stufenbolzen 52 weist ebenfalls
eine an seinem Außenumfang eingebrachte Ringnut 70 auf. Wie beispielsweise in Fig. 1d
und Fig. 1f dargestellt, ist rechts neben dem Verriegelungsbolzen 42 im Flügel 12a des
Rotors 2 ein weiterer Ventilbolzen 72 vorgesehen, der in einer Bohrung 74 Aufnahme
findet. Für eine übersichtlichere zeichnerische Darstellung wurde der Ventilbolzen 72 in
den Fig. 1b bis 6b zur Rotorachse gespiegelt dargestellt; die eigentliche Lage des
Ventilbolzens 72 ist in den Fig. 1d bis 1f wiedergegeben. Der Ventilbolzen 72 weist an
seinem Außenumfang zwei Ringnute 76 und 78 auf, deren Funktionsweise ebenfalls
später noch näher erläutert ist. Vom Ringraum 54 führt eine radial im Steg 12a
verlaufende Leitung L3 zur Bohrung 74.
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Weiterhin sind zwei Leitungen L4 und L5 zwischen dem Druckraum 28a und der den
Verriegelungsbolzen 42 aufnehmenden Bohrung 44 vorgesehen. Diese Verbindung
(Leitung L4, 5) wird dabei durch die Stellung des Verriegelungsbolzens 42 überwacht.
Eine zweite, vom Ringraum 54 radial weglaufende Leitung L6 führt ebenfalls zur Bohrung
74, wobei der Durchgang ebenfalls durch den verschiebbaren Ventilbolzen 72 überwacht
ist. Eine weitere im Flügel 12a vorgesehene Leitung L7 führt von der Bohrung 74 zu einer
in der Nabe 14 angeordneten Ringnut 80, an der ebenfalls die zur Bohrung 44 des
Verriegelungsbolzens 42 führende Leitung L1 angeschlossen ist. Aus der beide
Bohrungen 44 und 74 begrenzenden Wandung 81 sind darüber hinaus zwei sichelförmige
Ausnehmungen 82 und 84 herausgebildet, die, wie z. B. in Fig. 1b dargestellt, einen
gemeinsamen Überschneidungsbereich 86 bilden, wobei beide Ausnehmungen 82 und 84
jeweils durch den Verriegelungsbolzen 42 und den Ventilbolzen 72 überwacht sind. Von
der Bohrung 74 führt weiterhin eine Leitung L8 zum Druckraum 28a.
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Die den Stufenbolzen 52 aufnehmende Bohrung 50 steht über zwei Leitungen L9 und
L10 mit dem Druckraum 30a in Verbindung. Im Steg 12a ist ein weiterer Ventilbolzen 88
vorgesehen, der in einer Bohrung 90 verschiebbar aufgenommen ist. Der Ventilbolzen 90
weist zwei am Außenumfang verlaufende Ringnuten 92 und 94 auf. Die Bohrung 90 steht
mit einer radial im Steg 12a verlaufenden Leitung L11 mit dem Ringraum 54 in
Verbindung. In dem zwischen den beiden Bohrungen 50 und 90 ausgebildeten
Wandungssteg 96 sind wiederum zwei von den Bohrungen 50 bzw. 90 ausgehende
sichelförmige Ausnehmungen 98 und 100 eingebracht, die sich in einem gemeinsamen
Bereich 101 überschneiden; damit stehen beide Bohrungen 50 und 90 miteinander in
Verbindung, wobei der Bereich 101 durch den Stufenbolzen 52 und den Ventilbolzen 88
überwacht ist. Von der Bohrung 90 wegführende Leitungen L12 und L13 münden in eine
axial in der Nabe 14 verlaufende Leitung L14 ein, die wiederum mit der Ringnut 80
verbunden ist. Eine Leitung L15 verbindet die Bohrung 90 mit dem Druckraum 30a.
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Die Ringnut 54 ist über eine nicht näher dargestellte Leitung mit einem ausgangsseitigen
Anschluss A eines magnetgesteuerten 4/2-Wegeventils 102 verbunden. Die Ringnut 80ist über eine nicht weiter dargestellte Leitung mit einem zweiten ausgangsseitigen
Anschluss B des Magnetventils 102 verbunden. Eingangsseitig weist das Magnetventil
102 einen Druckanschluss P auf, der über ein Rückschlagventil 104 und eine Ölpumpe
106 zu einem Öltank T führt. Der Öltank T ist beispielsweise die Ölwanne einer
Brennkraftmaschine, in der ein entsprechender Ölsumpf ausgebildet ist. Der zweite
eingangsseitige Anschluss des Magnetventils 102 führt ebenfalls zum Öltank T.
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Der Vorgang zur Änderung der Ventilsteuerzeiten einer Brennkraftmaschine mit Hilfe der
Verstelleinheit 4 wird nun im nachfolgenden anhand der einzelnen Figuren näher erläutert.
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Fig. 1 Das Magnetventil 102 ist unbestromt, so dass das von der Ölpumpe 106 geförderte Öl
über den Ausgang A, die Ringnut 54, die Leitung L2 zum Stufenbolzen 52 gelangt. Durch
den am Stufenbolzen 52 anliegenden Öldruck wird der Stufenbolzen 52 nach links
verschoben und die zum Druckraum 28a führende Leitung L9 ist freigegeben. Vom
Druckraum 28a wird das Öl über den Ringkanal 32 auf die anderen beiden Druckräume
28b und 28c verteilt. Da Leitung L15 über Leitung L9 ebenfalls vom Öl beaufschlagt ist,
wird der Ventilbolzen 88 ebenfalls von rechts nach links bewegt (siehe Fig. 1f). Der
Verriegelungsbolzen 42 befindet sich in seiner rechten Endlageposition und ist damit in
der Bohrung 46 eingerastet.
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Fig. 2 Das Magnetventil 102 wird nunmehr bestromt und damit der Verstellvorgang in Richtung
des in Fig. 2a dargestellten Pfeiles eingeleitet. Über den Ausgang B des Magnetventils
102 fließt der Ölstrom über die Ringnut 80, die Leitung L1 zum Verriegelungsbolzen 42
und hebt diesen gegen die Federkraft an bzw. wird von rechts nach links bewegt. Über
die Leitung L4 wird nunmehr die Kammer 30a mit Öldruck versorgt. Über die Ringnut 36
wird das Öl auch auf die beiden anderen Druckräume 30b und 30c verteilt. Der
Ventilbolzen 72 wird über den in der Leitung L8 anliegenden Druck von links nach rechts
bewegt; der Ventilbolzen 88 wird ebenfalls über die Leitung L13 mit Öldruck
beaufschlagt, so dass auch dieser von links nach rechts bewegt wird. Da der
Stufenbolzen 52 in dieser Schaltstellung des Magnetventils 102 nicht mehr vom Öldruck
beaufschlagt ist, wird er durch die Feder 66 von rechts nach links verschoben. Das in
den Druckräumen 28a bis 28c befindliche Öl wird aufgrund der Verstellbewegung des
Rotors 2 über die Leitung L9, den Stufenbolzen 52, den Ventilbolzen 88, den
Überschneidungsbereich 101 der beiden Ausnehmungen 98 und 100, den Ventilbolzen
88 und die Leitung L11 in den Öltank T zurückgeführt.
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Fig. 3 Der Betriebszustand ist der gleiche wie in Fig. 2 dargestellt, d. h. die Druckräume 30a
bis 30c werden mit Drucköl beaufschlagt. Im Unterschied zu dem in Fig. 2 beschriebenen
Zustand wirken beim Schließen der Ein- oder Auslaßventile Ventilfederkräfte auf den
ablaufenden Nocken, so daß ein in die Verstellrichtung wirkendes Moment, im folgenden
als mitdrehendes Moment bezeichnet, auf den an der Nockenwelle 6 befestigten Rotor 2
der Verstelleinheit 4 übertragen wird. Dadurch wird der Öldruck in den Druckräumen 28a
bis 28c grösser als in den Druckräumen 30a bis 30c bzw. der Druck in der
Pumpenleitung ist in diesem Moment kleiner als in den Druckräumen 28a bis 28c. Der
Ventilbolzen 88 wird über die Leitung L15 mit den in den Druckräumen 28a bis 28c
anliegenden Öldruck beaufschlagt; damit von rechts nach links bewegt, so dass der aus
den Druckräumen 28a bis 28c verdrängte Ölstrom über die Leitungen L12, L1 und L4
direkt wieder den Druckräumen 30a bis 30c unter Umgehung des Öltanks T zugeführt
wird. Um ein Abfließen dieses Ölstroms in Richtung Ölpumpe 106 zu verhindern, ist das
dem Magnetventil 102 vorgeschaltete Rückschlagventil 104 geschlossen. Durch die
direkte Rückführung des Ölteilstroms in die Druckräume 30a bis 30c kann die
Verstellgeschwindigkeit der Nockenwellen-Verstelleinheit 4 erhöht werden.
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Fig. 4 Es wird angenommen, dass die Verstelleinheit 4 seine maximale Verstellposition erreicht
hat und nunmehr in die ursprüngliche Startposition zurückgeführt werden soll. Dazu wird
das Magnetventils 102 nicht mehr bestromt, so dass der Druckeingang P des
Magnetventils 102 wieder auf den druckseitigen Ausgang A umschaltet. Der Stufenbolzen
52 wird über den in der Leitung L2 anliegenden Druck entgegen der Feder 66 in seine
obere Endlage, d. h. von links nach rechts gedrückt und gibt damit den Durchgang zu
den Druckräumen 28a bis 28c frei. Der Verriegelungsbolzen 42 bewegt sich durch die
Federkraft der Feder 58 in eine Zwischenposition, die durch sein Aufliegen auf der
ettenradseitigen Dichtscheibe 20 bestimmt ist. Der Ventilbolzen 72 wird ebenfalls von
rechts nach links bewegt, so dass das aus den Druckräumen 30a bis 30c verdrängte Öl
über die Leitung L4, den Verriegelungsbolzen 42, den Überschneidungsbereich 86 der
beiden Bohrungen 44 und 74, den Ventilbolzen 72 und die Leitung L12 in den Öltank T
zurückfließt.
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Fig. 5 Analog zu dem in Fig. 3 beschriebenen Betriebszustand steigt durch das Aufaddieren
des Momentes in Bewegungsrichtung der Verstelleinheit 4 der Druck in den Druckräumen
30a bis 30c und übersteigt damit den in den Druckräumen 28a bis 28c anliegenden
Öldruck. Der in den Druckräumen 30a bis 30c herrschende Öldruck wird über die Leitung
L8 auf den Ventilbolzen 72 übertragen, der sich dadurch von links nach rechts bewegt
und somit den Durchgang des aus den Druckräumen 30a bis 30c abfliessenden Ölstroms
über die Leitung L4, den Verriegelungsbolzen 42, den Überschneidungsbereich 86 und
die Leitung L6 zur Druckleitung freigibt, so dass dieser Ölstrom über die Leitung L2 und
den Stufenbolzen 52 unter Umgehung des Öltanks T direkt wieder den
druckbeaufschlagten Druckräumen 28a bis 28c zugeführt werden kann. Um ein Abfließen
dieses Ölstroms in Richtung Ölpumpe 106 zu verhindern, schließt das Rückschlagventil
104. Durch die direkte Zuführung des aus den Druckräumen 30a bis 30c abfließenden
Öls in die druckführenden Räume 28a bis 28c kann wiederum die Verstellgeschwindigkeit
der Verstelleinheit 4 erhöht werden.
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Fig. 6 Die Verstelleinheit 4 hat nunmehr die ursprüngliche Startposition (siehe Fig. 1) wieder
erreicht. Der Verriegelungsbolzen 42 wird von der Feder 58 in die Verriegelungsbohrung
46 gedrückt.
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Anhand der Fig. 7 bis 12 wird nunmehr ein zweites Ausführungsbeispiel beschrieben, bei
dem ebenfalls das Grundprinzip umgesetzt ist, dass zwischen den beiden in der
Verstelleinheit des Nockenwellenverstellers angeordneten Druckräumen ein durch ein
Ventilelement gesteuerter Bypass vorgesehen ist. Im zweiten Ausführungsbeispiel werden
daher in der Zeichnung nur noch die für die Erklärung der Funktionsweise erforderlichen
Merkmale der Verstelleinheit 4 des Nockenwellenverstellers dargestellt und beschrieben,
wobei zum ersten Ausführungsbeispiel gleiche bzw. ähnliche Bauteile mit denselben
Bezugszeichen versehen sind.
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Die Nabe 14 des Rotors 2 der Verstelleinheit 4 weist wiederum radial verlaufende Flügel
12a bis 12d auf, die im Zusammenwirken mit den radialen Stegen 18a bis 18d des
Zellenrades 16 sowie den nicht näher dargestellten axialen Begrenzungen (Dichtscheiben)
der Verstelleinheit 4 zwei Druckräume 28a bis 28d bzw. 30a bis 30d zur Verstellung des
Rotors 2 gegenüber dem Zellenrad 16 ausbilden. In der Nabe 14 des Rotors 2 ist
wiederum eine zentrale Bohrung 8 vorgesehen, die über radial verlaufende Bohrungen
108a bis 108d mit den Druckräumen 30a bis 30d in Verbindung steht. Eine in der Nabe
14 vorgesehene Ringnut 110 steht über radiale Bohrungen 112a bis 112d mit den
Druckräumen 28a bis 28d in Verbindung. Eine erste, nur schematisch dargestellte
Steuerleitung LST1 ist auf der einen Seite mit der Ringnut 110 verbunden, während die
andere Seite der Steuerleitung LST1 zu einem ausgangsseitigen Anschluss eines
Magnetventils 114 führt. Eine zweite Steuerleitung LST2 ist mit der in der Nabe 14
vorgesehenen zentralen Bohrung 8 verbunden, während sie auf der anderen Seite zu
einem zweiten ausgangsseitigen Anschluss des Magnetventils 114 führt.
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Im folgenden wird der Aufbau des Magnetventils 114 näher erläutert. Eingangsseitig
weist das Magnetventil 114 zwei zu einem nicht dargestellten Öltank führende Leitungen
LT1 und LT2 sowie eine zu einer nicht dargestellten Ölpumpe führende Druckleitung LP
auf. Im Gehäuse 115 des Magnetventils 114 findet ein zweiteiliger zylinderförmiger
Einsatz 116a, 116b Aufnahme, in dem im Zusammenwirken mit im folgenden noch näher
beschriebenen Ventilschiebern 118 und 120 verschiedene hydraulische Durchgänge
ausgebildet sind. Im zylinderförmigen Einsatz 116 ist eine zentrale Bohrung vorgesehen,
in der eine Ventilstange 122 Aufnahme findet. Die Ventilstange 122 ist verschiebbar im
zylinderförmigen Einsatz 116 geführt, wobei ein links- und rechtsbündiger Anschlag 124
und 126 die axiale Verstellmöglichkeit der Ventilstange 122 begrenzt. Beide
Ventilschieber 118, 120 sind auf der Ventilstange 122 gelagert und ebenfalls axial
verschieblich auf dieser geführt. Beide Ventilschieber 118, 120 weisen jeweils eine
Ringschulter 128 und 130 auf, die im Zusammenhang mit im Einsatzteil 116
vorgesehenen Wandungsabschnitten 132 und 134 die axiale Verschiebbarkeit der beiden
Ventilschieber 118, 120 in jeweils eine Richtung begrenzen. Die Ringschultern 128 und
130 überwachen bzw. kontrollieren dabei Öffnungen 131, 133, die eine Verbindung
zwischen der Druckleitung LP und den Steuerleitungen LST1 und LST2 herstellen. An der
Ventilstange 122 ist ein weiterer Anschlag 136 für den Ventilschieber 118 vorgesehen,
der ebenfalls wie die beiden Anschläge 124, 126 in Form eines in einer Ringnut 137
eingebrachten Sprengringes 138 ausgebildet ist. Zwischen dem Sprengring 138 und
dem gehäuseseitigen Ende des zylinderförmigen Einsatzes 116 findet weiterhin koaxial
zur Ventilstange 122 eine Spiralfeder 140 Aufnahme, die wie in Fig. 7b dargestellt, im
unbestromten Zustand des Magnetventils 114 den Ventilschieber 118 in die dargestellte
Position drückt; der Anschlag 124 begrenzt diese Stellposition. Zwischen den beiden
Ringschultern 128, 130 der Ventilschieber 118, 120 stützt sich eine zweite Spiralfeder
142 ab, die den Ventilschieber 120 in die in Fig. 7b dargestellte Position verschiebt, der
Wandungsabschnitt 134 des zylinderförmigen Einsatzes 116 dient dabei als Anschlag.
Sowohl der Ventilschieber 118 als auch der Ventilschieber 120 weisen einen Drosselspalt
144 und 146 auf, der in Abhängigkeit von der Position der Ventilschieber 118, 120 die
Steuerleitung LST1 bzw. LST2 mit der Tankleitung LT1 bzw. LT2 verbindet. Die
Drosselspalte 144, 146 sind dabei in Form einer Axialnut 144a, 146a und einer mit der
Axialnut 144a, 146a verbundene Ringnut 144b und 146b ausgebildet.
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Das Ventilgehäuse 114 ist seitlich an einem elektrischen Gehäuseteil 148 angeflanscht, in
dem auf bekannte Art und Weise ein axial verschiebbarer Stößel 150 Aufnahme findet,
der von einem Magneten und einer Spule umgeben ist. Der Stößel 150 ist fluchtend zur
Ventilstange 122 angeordnet und kann somit in Abhängigkeit von der Bestromung des
Magnetventils die Ventilstange 122 axial verschieben.
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In der Druckleitung LP ist weiterhin ein Rückschlagventil 152 angeordnet, das in den Fig.
13 und 14 vergrößert in einer geschlossenen und in einer geöffneten Stellung dargestellt
ist. Der Ventilkörper des Rückschlagventils 152 ist als Federband 154 ausgebildet, das
an einem Gehäusewandabschnitt 156 befestigt ist und an seinem freien Ende die Öffnung
158 der Druckleitung LP überwacht.
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Die Funktionsweise des zweiten Ausführungsbeispieles wird nachfolgend anhand der
Figuren näher erläutert:
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Fig. 7a, 7b Das Magnetventil 114 ist unbestromt; über die Druckleitung LP, die von der Ringschulter
128 des Ventilschiebers 118 freigegebene Öffnung 131 und die Steuerleitung LST1
werden die Druckräume 28a bis 28d mit Öl beaufschlagt. Der Rotor 2 der Verstelleinheit
4 wird in die in Fig. 7a dargestellte Pfeilrichtung bewegt. Das aus den Druckräumen 30a
bis 30d verdrängte Öl wird über die Steuerleitung LST2 und den Drosselspalt 146 sowie
über die Öltankleitung LT2 zum Öltank T zurückgeführt.
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Fig. 8a, 8b In Richtung der Verstellbewegung wird, wie bereits im ersten Ausführungsbeispiel
ausführlich beschrieben, über die Nocken der Nockenwelle auf den Rotor 2 ein
mitdrehendes Moment übertragen, aufgrund dessen der Öldruck in den Druckräumen
30a bis 30d den Öldruck in Druckräumen 28a bis 28d übersteigt. Der in den
Druckräumen 30 herrschende Öldruck wird über die Steuerleitung LST2 auf den
Ventilschieber 120 übertragen; über die Ringschulter 130 und entgegen der Kraft der
Feder 142 wird der Ventilschieber 120 in die in Fig. 8b dargestellte Position verschoben.
Damit sind beide von den Ringschultern 128, 130 überwachte Öffnungen 131 und 133
freigegeben, so dass das Öl über die Leitung LB direkt wieder der zu den Druckräumen
28 führenden Steuerleitung LST1 zugeführt werden kann. Die Drosselspalte 144 und 146
sind verschlossen, so dass kein Öl über die Öltankleitungen LT1 und LT2 abfließen kann.
Das in der Druckleitung LP angeordnete Rückschlagventil 152 ist ebenfalls gesperrt.
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Fig. 9a, 9b Über die Steuerleitung LST1 werden weiterhin die Druckräume 28a bis 28d mit Öl
beaufschlagt, jedoch bewirkt ein gegen die Verstellbewegung wirkendes Moment
(gegendrehendes Moment), dass der Druck in den Druckräumen 28a bis 28d größer ist
als der Druck in der Zufuhrleitung LP. In diesem Betriebszustand findet keine Verstellung
statt und das Rückschlagventil 152 nimmt zur Abstützfunktion die geschlossene Stellung
ein. Die Steuerleitung LST2 ist drucklos, da über den Drosselspalt 146 die Verbindung
zur Tankleitung LT2 geöffnet ist.
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Fig. 10a, 10b Die Verstelleinheit 4 hat seine maximale Verstellposition erreicht und wird nunmehr in
Richtung der ursprünglichen Startposition zurückverstellt. Dazu wird das Magnetventil
114 bestromt, so dass das Drucköl über die Druckleitung LP und die Steuerleitung LST2
in die Druckräume 30a bis 30d gelangt. Damit wird der Rotor 2 der Verstelleinheit 4 in
die dargestellte Pfeilrichtung verstellt. Das aus den Druckräumen 28a bis 28d verdrängte
Drucköl wird über die Steuerleitung LST1 und über den geöffneten Drosselspalt 144 in
die Öltankleitung LT1 und damit zum Öltank T zurückgeführt.
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Fig. 11a, 11b Zur Verstellbewegung wird wiederum über ein mitdrehendes Moment aufaddiert, so dass
der in den Druckräumen 28a bis 28d anliegende Druck den Druck in der Druckleitung LP
übersteigt. Damit wird der Ventilschieber 118 entgegen der Kraft der Feder 142 über
seine Ringschulter 128 in die in Fig. 11b dargestellte Position verschoben. Damit sind
wieder beide durch die Ringschultern 128, 130 der Ventilschieber 118, 120 kontrollierte
Öffnungen 131 und 133 freigegeben und die beiden Öltankleitungen LT1 und LT2 sind
aufgrund der geschlossenen Drosselspalte 144, 146 von den Steuerleitungen LST1 und
LST2 getrennt. Damit kann das aus den Druckräumen 28a bis 28d abströmende Öl über
die Leitung LB direkt der Steuerleitung LST2 und damit unter Umgehung des Öltanks T
den Druckräumen 30a bis 30d zugeführt werden. Das Rückschlagventil 152 ist in diesem
Betriebszustand geschlossen.
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Fig. 12a, 12b Der Rotor 2 der Verstelleinheit 4 soll weiter in Richtung der ursprünglichen Startposition
verstellt werden; jedoch kehren sich aufgrund eines gegendrehenden Momentes
(verursacht durch das Öffnen der Ein- oder Auslassventile über den auflaufenden Nocken
entgegen der Ventilfederkraft) die Druckverhältnisse dergestalt um, dass der Druck in
den Druckräumen 30a bis 30d den Druck in der Druckleitung LP übersteigt. In diesem
Fall findet keine Verstellbewegung statt; das Rückschlagventil 152 wird zur
Abstützfunktion geschlossen, während die Steuerleitung LST1 drucklos ist, da der zur
Tankleitung LT1 führende Drosselspalt 144 geöffnet ist. Am Ende des Verstellvorgangs
hat die Verstelleinheit wieder die ursprüngliche Startposition erreicht.
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Das in Fig. 15 dargestellte Magnetventil 114', das eine entsprechend Fig. 7b dargestellte
Position einnimmt, unterscheidet sich gegenüber dem Magnetventil 114 lediglich
dadurch, dass in der Druckleitung LP ein Rückschlagventil 152' in abgeänderter Form
integriert ist. Das Rückschlagventil 152' weist als Ventilkörper ein Plattenelement 160
auf, das bei druckloser Leitung LP durch ein Federelement 162 gegen ein ersten
Ventilsitz 164 gedrückt wird und damit die Leitung LP verschließt. Bei geöffnetem
Rückschlagventil 152' wird das Plattenelement 160 gegen eine Anschlagfläche eines
Einsatzes 166 gedrückt und die Öldruckleitung LP ist freigegeben.
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Ein drittes und letztes Ausführungsbeispiels ist in den Fig. 16 und 17 dargestellt und
nachfolgend näher erläutert. Der Einfachheit halber ist in den Fig. 16 und 17 nur noch
eine Verstellrichtung dargestellt und erläutert, die sich dadurch unterscheiden, dass
gemäß Fig. 17 durch das mitdrehende Moment eine zusätzliche Verstellkraft in Richtung
der Verstellbewegung erzeugt wird. Zu den beiden wiederum nur schematisch
dargestellten Druckräumen 28 und 30 führen wiederum zwei Steuerleitungen LST1 und
LST2, die an zwei Ausgängen eines Magnetventils 168 angeschlossen sind. Das
Magnetventil 168 ist als 4/2-Wegeventil ausgebildet und weist daher zwei Eingänge auf,
an denen zwei zu einem Öltank T führende Leitungen, im folgenden als LT1 und LT2
bezeichnet, angeschlossen sind. In der Tankleitung LT1 ist wiederum ein Rückschlagventil
170 sowie eine Ölpumpe 172 angeordnet. In der Tankleitung LT2 ist ein
druckgesteuertes 3/2-Wegeventil, im folgenden als Weiche 174 bezeichnet,
angeordnet. Ein Ausgang der Weiche 174 ist über eine Leitung LB, in dem ein weiteres
Rückschlagventil 176 angeordnet ist, mit der Öltankleitung LT1 verbunden. Die
Schaltstellung der Weiche 174 erfolgt in Abhängigkeit von den in den Öltankleitungen LT1
und LT2 anliegenden Drücken. Dazu zweigt von der Tankleitung LT1 eine Steuerleitung
LST3 ab, die mit einem Eingang der Weiche 174 verbunden ist; eine Steuerleitung LST4
zweigt von der Tankleitung LT2 ab und ist mit einem weiteren Eingang der Weiche 174
verbunden.
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Bevor die Funktionsweise dieses dritten Ausführungsbeispiels zur
Nockenwellenverstellung näher beschrieben wird, ist im folgenden kurz der innere Aufbau
der Weiche 174 beschrieben. Das Gehäuse 178 der Weiche 174 weist eine
durchgehende Querbohrung 180 auf, zu der zwei Bohrungen 182 und 184 quer
verlaufen. In der Bohrung 182 ist das Rückschlagventil 176 integriert, wobei die Bohrung
182 einen Teil der Bypassleitung LB darstellt, die mit der Tankleitung LT1 verbunden ist.
Die Bohrung 184 stellt ein Teil der zum Öltank T führenden Tankleitung LT2 dar. In die
Querbohrung 180 ist ein hülsenförmiger Einsatz 186 eingesetzt, in dessen Hohlraum 187
ein mit einer Innenbohrung 188 versehener hülsenförmiger Ventilschieber 189 Aufnahme
findet. Der Einsatz 186 weist an seinen Wandungen 4 Bohrungen 190a bis d auf, die in
Abhängigkeit von der Lage des Ventilschiebers 189 geöffnet bzw. geschlossen sind. Der
Ventilschieber 189 weist darüber hinaus eine Querbohrung 191 sowie einen im
Außendurchmesser verjüngten Abschnitt 192 auf, aufgrund dessen zwischen dem Einsatz
186 und dem Ventilschieber 189 in diesem Bereich ein Ringspalt 193 ausgebildet ist.
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Das dritte Ausführungsbeispiel funktioniert wie folgt:
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Fig. 16a, 16b Ist das Magnetventil 168 unbestromt, so wird der von der Pumpe 172 geförderte
Ölstrom über die Tankleitung LT1 und die Steuerleitung LST1 den Druckräumen 28
zugeführt. Das in den Druckräumen 30 befindliche Öl fließt über die Steuerleitung LST2
und die Weiche 174 in die Tankleitung LT2 und damit in den Öltank T ab. Wie in Fig. 16b
erkennbar, nimmt aufgrund des an der Stirnseite 189a des Ventilschiebers 189
anliegenden Drucks der Ventilschieber 189 seine linke Anschlagposition ein, so dass das
Öi über die Bohrungen 190a, 191 sowie 190d zum Öltank abströmen kann.
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Fig. 17a, 17b Wird nunmehr zusätzlich zur Verstellbewegung aufgrund eines mitdrehenden Momentes
ein zusätzliches Verstellmoment auf den Rotor 2 der Verstelleinheit 4 aufgebracht, so
übersteigt der in den Druckräumen 30 anliegende Druck den in den Druckräumen 28 und
damit in der Tankleitung LT1 anliegenden Druck. Der Druck in den Druckräumen 30 wird
über die Steuerleitung LST4 in die Bohrung 188 des Ventilschiebers 189 übertragen, so
dass der Ventilschieber 189 von seiner linken Anschlagposition in die rechte
Anschlagposition überführt wird. Damit ist über die Bohrungen 190a und 190c der
Durchgang zur Bypassleitung LB freigegeben; das Rückschlagventil 176 öffnet und der
aus den Druckräumen 30 abgeführte Ölstrom kann über die Bypassleitung LB unter
Umgehung des Öltanks T direkt der Tankleitung LT1 und damit den Druckräumen 28
wieder zugeführt werden.
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Die soeben beschriebene Funktionsweise der Weiche 174 findet auch bei bestromten
Magnetventil 168 bei gleichzeitiger Verstellrichtungsumkehr der Verstelleinheit 4
Anwendung.